土壤地球化学勘查.ppt

1、第三章土壤地球化学勘查,前 言 一、原生环境 次生环境 二、次生异常是勘查地球化学研究的主体,概念 土壤地球化学勘查，是对土壤(包括残积物、塌积物、风成物、冰碛物)中元素含量进行系统测定，研究它在土壤中的分布、分配、集中与分散等规律，以发现土壤中与矿有关的地球化学异常来找矿，以及解决某些地质问题或其它问题 研究对象：土壤 湖积物、铁帽虽不是土壤，但通常纳入土壤地球化学勘查研究中,概念 以土壤为采样对象的地球化学勘查 与士壤学中对士壤概念给以严格的定义不同，这里的土壤是指一切地表疏松细粒覆盖物，如残积物、坡积物、塌积物、冰积物、风积物、湖积物及有机成因的覆盖物等,土壤地球化学异常是指环绕在矿体或

2、异常源周围赋存于地表疏松覆中的次生异常。该方法是系统地测量和研究土壤中的微迹元素含量或其它地球特征，以发现与矿化有关的各类次生异常，并进而寻找矿床 (体）,环绕在矿体或原生异常源周围的次生异常称前苏联学者又称其为次生晕。土壤中次生异常的形成过程要经历了一个漫长而又复杂的过程，它包括风化、成壤、侵蚀、搬运与沉积的过程。这些过程总起来构成了次生地球化学旋回,表生带：岩石圈、水圈、生物圈的界面相互交错重叠的带地表向下直至雨水能渗入最深处为止。原生带：表生带以下直至各种深成岩和内生矿床的形成范围为止 地壳深处的岩石或矿石进入表生带后，因物理化学条件的改变而发生改造和破坏，以达到新的地球化学平衡风化作用

3、。 表生带与原生带的物理化学条件,一、岩石的表生风化作用 各类岩石出露于地表时，由于太阳能、大气降水、地下水、冰、大气中的氧和二氧化碳以及微生物、植物等相互而发生风化作用 风化作用发生的环境特点： 温度与压力低、水充足且游离氧与二氧化碳的浓度高。因此，在深成环境内形成的稳定矿物，到了次生环境就会变得不稳定,风化作用主要类型: 物理风化 化学风化 生物风化,1、物理风化作用: 风化作用的初级阶段 （1）物理风化的营力 重力、温差、冻结与冻溶、盐类的结晶、植物的生长,（2）物理风化控制因素 物理风化的强度明显受绝对高程、相对高程及温度控制 在高寒山区和极地地区，物理风化占绝对优势。我国高寒山区面积

4、达100万平方公里以上，在这些地区，广泛分布石流坡、石海、倒石堆等物理风化产物,2、化学风化作用: 化学风化作用的主要化学反应： 水解反应 水合反应 氧化还原反应 离子交换反应,（1） 水解作用水电离产物H+、OH-与矿物中的离子发生反应 4KAlSi2O8+6H2O 4K+4OH-+Al4Si4O10(OH)8- (正长石) +8SiO2 Fe2SiO4 (铁橄榄石)+4H2O 2Fe 2+4OH - +2H2O+SiO2,（） 水合作用水分子进入矿物的晶格中形成新的含水矿物。 Fe2O3 (赤铁矿) +nH2O Fe2O3.nH2O (水赤铁矿) CaSO4 (硬石膏) +nH2O CaS

5、O4.2H2O(石膏),（）氧化还原反应 氧化还原的实质是电子的接受。化学反应中包含有价态的变化，对于失去电子的元素来说，它受到氧化；对于获得电子的元素来说，它受到了还原 （）离子交换反应 主要指粘土矿物及胶体物质的吸附与交换离子的反应,尽管在硅酸盐和碳酸盐的风化过程中水解作用是最重要的，但起主导作用的是氧化作用。因为铁帽、铁与锰的氧化物以及硫化矿床的次生分散晕，正是在氧化作用过程中生成的,、生物风化作用: 由生物作用引起的物理风化及化学风化作用,a 植物的根系扩大岩石裂隙 植物根系沿岩石裂隙节理生长可以扩大其裂缝以加速物理风化作用。生物活动可以混拌及选分大量的地表物质，结果使团粒粉碎，透过率

6、增加，便于空气与水进入，在植物根系尖端发生极端的酸性反应可进一步分解岩石,b 有机质分解腐殖酸 地表微生物如细菌与真菌在许多复杂的有机氧化反应中可使植物残骸逐渐解体形成可溶性的腐殖化合物 生物作用导致地表环境的改变，加速化学反应，间接影响化学风化作用,生物活动虽然主要局限于土壤中，但是通过溶解与胶体分散，其分解产物如CO2与H2O，对于深处风化带内的化学反应起相当程度的作用。因为它们的存在可以使氧化作用一直伸展到地下水位以下很深的地方 兼具物理风化、化学风化作用,二、土壤 （一）、土壤的性质 岩石与矿物在表生风化作用下不断受到破坏与改造，其结果最终导致土壤的形成,土壤的主要组分: （1）原生矿

7、物： 基岩经机械风化作用形成的粗粒部分，包括岩块、岩屑及原生矿物 （2）次生矿物 表生风化作用形成细粒的风化产物，包括粘土矿物、胶体、半氧化物及盐类矿物,A、次生矿物粘土矿物 由原生造岩硅酸盐矿物风化而成，主要是Al、Fe及Mg的含水硅酸盐。它们具有相对稳定的结晶构造。常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石、蛙石、绿泥石、埃洛石等，它们都属于层状构造矿物。粘土矿物靠晶体边缘或层间电荷吸附阳离子,B、次生矿物胶体和铁锰氧化物 胶体和铁锰氧化物主要为Al、Fe、Mn等元素的氧化物，它们在地表通常不能在水溶液中大量存在，而呈结核、岩石表面被膜、粘土中的锈斑等形式广泛出现。按矿物成分主要有赤铁矿、针铁矿、纤铁

8、矿、一水铝石、三水铝石、软锰矿、硬锰矿等。它们对其它微量元素有强烈的吸附及沉淀作用,C、次生矿物盐类矿物 残、坡积层中的盐类组分其物质来源： 1、岩石和矿体中的易溶组分经表生地球化学作用残留下来 2、由地下水与地表水冲刷 其中，难溶盐在残、坡积层中能形成表生矿物；易溶盐在温暖潮湿地区，一般在土壤溶液中呈游离状态存在，但在干旱缺水的地区，能以晶质状态存在于残、坡积中,（二）、土壤的结构,A1,A2,B,C,生物活动最大的层位 淋滤最大的层位,淋积层位（物质从淋滤水 中借分解或沉淀而聚集）,由风化的母质构成,深色层位富含有机 质，与矿物共存,浅色层位 具最大淋滤 在某些土壤中很明显， 在另一些土壤

9、中不发育 或缺失，一般结构松散,褐至桔褐色层位 粘土矿物或铁及有机质聚集 致密成块结构,不同景观表现不同,土层,理想土壤剖面,覆盖在基岩之上的生长着植物的疏松物。它是在岩石风化产物的基础上通过成壤作用(生物参加，经过淋滤、沉淀等)逐步形成的。它受气候、温度、地形、时间、生物、母质等因素的综合影响 不同气候带形成的土壤各不相同。 亚热带红壤、砖红壤、黄壤(富Fe、A1) 半干燥气候黑土：A0，A-钠硝石层-C-D 干燥气候碱土(富NaCl、CaSO4)、荒漠土壤：C-D 湿冷干燥带棕色森林土(多Si、Fe、A1) 温暖气候灰化土、黑色壤：A-B-C-D 山区初生土壤：A0-B-C-D,植物残体，

10、部分被分解。 富含有机质的砂、粉砂和粘土组成。棕黑色暗色泥 粘土矿物、可溶性碱、氢氧化物、有机质大量被淋滤浅色层，粘性差，松散 淀积层：由A层淋滤下来的Fe、Al、Mn氢氧化物及粘土质点在此处沉淀。富含粘土，粘性强。黄褐色、棕褐色。有机质可有或无。 母质层：淋滤和淀积作用均不发育，含风化程度不等的、部分被分解的岩石。C层是A、B层的母质。有机质含量最少 半风化基岩，半干燥、干燥气候以及初生的土壤分层发育情况不同。 温暖气候条件下形成的土壤分层剖面图,（三）、土壤中微量元素存在形式 1、 原生矿物及其中的原生混入物(包括类质同像、机械混入物、气液包裹体) 物理风化的产物，形成碎屑异常的元素主要以

11、这种形式存在,2、 次生矿物及其中的次生混入物 微量元素在土壤中重要存在形式。 除了各种粘土矿物外，对金属来说主要是碳酸盐、硫酸盐、砷酸盐、磷酸盐及各种氧化物与氢氧化物。此外，还可能有少量次生硅酸盐和次生石英,3、 被吸附的离子及分子 这一形式可能是土壤中大多数不能形成独立矿物的微量元主要存在形式。存在于土壤中的大量粘土矿物及胶体是吸附与离子交换形式存在的基础,4、 有机分子状态存在 土壤中腐植质对金属离子具有强的络合或螯合作用，在富含腐植质的森林土壤中可成为金属元素的重要存在形式,5、 自由离子或自由分子状态 存在于土壤水分中的溶解物及土壤孔隙中的气体分子。这部分物质与土壤固体颗粒的联系最弱

12、，因而其活动性最大。如土壤气汞、水可提取部分金属离子等,（四）、元素在土壤中的正常分布、分配 1 元素含量分布不均一。Si、Al、Ca、K 、Na相对较高； 2 常量元素差异不大，微量元素差异显著； 3 微量元素在不同的土壤层中的分配不同；,4 同一土壤层中因粒度变化元素含量不一致(抵抗能力) 5 概率分布形式为对数正态分布,（五）、土壤中元素异常的形成 1、 碎屑异常的形成 同生碎屑异常可以看成是单纯物理风化的产物，在前苏联文献中称为机械分散晕 在重力及其他各种机械力的作用下，固体颗粒在地表有三种可能的运动方式：崩塌、潜动及碎屑扩散,崩塌是岩石碎块在山坡上的突发运动，虽然它不能经常发生，但由

13、于地质时期中多次事件的积累，可以形成大片倒石堆，使悬岩后退，峡谷形成。灾变性的滑坡与泥石流也可以归入这一类,潜动是地表的松散堆积物在安息角以下，受重力作用向下坡作难以观察的缓慢运动，它包括土流及蠕动二种作用 (波利卡尔波奇金，1976),碎屑扩散是松散物中各个颗粒受到各种偶然作用，如温度变化，湿胀与干缩，冻结与溶化，土居动物的搬运等，使各个颗粒在原来位置附近作微小的随机运动，从而导致颗粒间的位置变换 如在地质时期中观察其积累效果，可以与分子的不规则运动相比拟。这种作用不受重力场的直接制约，某些质点甚至可以逆重力而上,2、 水成异常的形成 （1）元素转入溶液的形式 A、溶解 可呈简单离子、氢与氧

14、的络合离子，如Na+、Zn+、HCO3-、MoO42-等,B、氧化作用 由于表生作用中含游离氧、二氧化碳和水，可使许多矿物特别是金属硫化物发生氧化 C、形成络合物 在各种有机或无机络合剂存在的情况下，许多元素以络合物而转入溶液,（2）元素在溶液中迁移形式 A、扩散 在浓度差的作用下，高浓度向低浓度扩散， 直至平衡 B、流动 由大气降水或地下水、地表水的流动所造成的,C、毛细作用虹吸作用 由于毛细上升高度与毛细管的直径成反比，与溶液浓度成正比，所以从理论上来讲，细粒土壤毛细上升的高度较高 由毛细作用输送到地表的金属，由于水分的蒸发而沉淀,（）元素沉淀 A、地球化学条件改变地球化学障 在水溶液中迁

15、移的元素，一部分可以随着溶液的迁移从周围介质中吸取新的物质而不断升高，直到饱和变成稳定为止;另一部分则随地表水或地下水从一种环境进入另一种条件极为不同的新环境时，水中某些元素因环境变化而发生沉淀。这种转变在空间上表现为一个狭窄的地带，苏联的AN彼列尔曼把它称为地球化学障 在地球化学障上，化学元素溶液中的迁移受阻，对于溶液中的元素来说地球化学障就是沉淀障。根据引起沉的原因将地球化学障分为氧化障、还原障、酸性障、碱性障、水解障、吸附障及蒸发障等,不同元素在不同障上沉淀析出而引起表生地球化学分异。例如，铁在氧化障析出，铀在还原障上析出。化合物的水解作用与溶液的pH值有关。在pH值变化处，即二种不同p

16、H值的水汇合处，产生水解障,B、其他作用 胶体的凝聚、胶体的吸附、络合物分解及植物的解体等等都会引起元素从溶液中沉淀,三、次生晕 (一) 形成 已生成的矿体、矿化体及原生晕，在表生带与围岩一起遭受风化作用。随着岩石的破碎、矿物的分解，使其中的一些元素发生迁移。在一定条件下，某些成矿元素在矿体上方或附近的土壤中聚集为高含量的地段。故由矿体及原生晕破坏后形成的为次生晕,成晕方式： 1 机械迁移 元素呈固相(原生矿物、难溶次生矿物、碎屑)迁移机械分散晕 A 地形平缓时，晕在矿体正上方 B 地形较陡时，晕在矿体的下方 2 水成迁移 元素以离子、分子、络离子或胶体形式迁移水成分散晕 前苏联文献中，将元素

17、以水溶液(真溶液)形式迁移形成的晕称为盐晕 特点：离矿体较远，甚至被搬运到湖底沉积物中,3 生物迁移 植物根系从土壤(尤其在矿体附近)中吸收一些微量元素进入到植物的各种器官中。当植物的枝、叶落在地面，可使一些元素聚集在A0层中；若发生腐烂，使吸收的这些元素又转入地表水、地下水中。其中一部分又被植物吸收，另一部分聚集在腐殖层中，还有一部分随地下水渗透到土壤B层中被Fe、Mn氢氧化物或粘土矿物吸附生物成因晕,4 自然电场迁移 在表生带中金属硫化物与地下水接触，构成一个天然的电场池。潜水面之上处于氧化带，易失去电子，矿体带正电，溶液带负电；潜水面之下矿体处于还原带，矿体易得到电子带负电，溶液带正电。

18、从而在潜水面上下存在一个电位差。这样，在矿体上方出现低含量带，四周出现高含量带,(二) 特征 1 形态与规模 1)地形较平缓时，晕在剖面上呈喇叭状，上宽下窄。规模比矿体、原生晕大 2)地形倾斜时，因重力作用、水的冲刷等，使晕在剖面上呈向下方拉长的舌状，但平面上晕的形态可以不同于矿体及原生晕的形态上坡方向次生晕的边缘形态有时可作为矿体或矿带形态的推断依据之一,3)次生晕的规模随取样深度的增加而减小，但强度则随之增大 4)次生晕的形态和规模随样品粒度不同而变化(如W-粗粒中) 5)次生晕的均匀性比原生晕好,2 组分特征 1) 指示元素：仍是矿床中的主要成矿元素与伴生元素。 2) 指示元素存在形式

19、A 原生矿物及其中的混入物类质同象、机械混入物、气液包裹体； B 次生矿物及其中次生混入物主要是矾类及氢氧化物； C 被吸附的离子； D 土壤水中自由离子。,3) 指示元素的含量 A 不同土壤层中含量不同； B 土壤粒度不同，元素含量也不同。,4) 组分分带性次生晕中指示元素及其组合在空间上呈现规律性分布的现象。 次生晕组分的分带大都继承了矿床与原生晕的组分分带的特点。,3 次生晕与矿体的空间关系 次生晕相对于矿体的空间位置，主要受地形、矿体产状和土壤厚度控制。 1) 当地形较平缓，矿体直立时，矿体位于次生晕内。晕内高含量中心附近即为矿体顶端在地面的投影位置。,2) 当地形较平缓，矿体倾斜时，

20、矿体虽位于次生晕边界范围内，但晕内高含量中心不于与矿体顶端在地面的投影位置相对应。倾斜越缓，疏松层越厚，矿体距晕中高含量中心越远。,3) 地表倾斜，矿体直立时，晕中高含量与矿体不对应，向地形下坡移动。地形坡度越大，疏松层越厚，两者距离越远。,4) 地表倾斜，矿体也倾斜，且矿体倾斜与地表倾斜相反时，次生晕分布于矿体下坡方向。矿体倾斜越缓或坡度越大，坡积物越厚，晕中高含量中心位移越远，甚至矿体完全可能产于晕外上坡方向,5) 地表倾斜，矿体也倾斜，且矿体倾斜与地表倾斜相同时，矿体可能在次生晕高含量中心上坡方向，也可能在下坡方向。,(三) 控制因素 1 原生矿物的性质； 2 矿体规模大小与品位； 3

21、介质的物化条件； 4 胶体 5 生物 6 气候与地形,四、土壤地球化学异常模式,（一）、残积物中同生碎屑异常 单个浓度分界面,C0,C1,X,H,Z,Cx, 厚矿脉的残积异常,C1,H,C0,C0,C1,C0, 垂直薄矿体的残积异常-1,H,垂直薄矿体的残积异常-2,地面,风化壳,基岩,基岩面,残积异常理想剖面, 矿脉组异常-1,H,d,D2KH K=L/h,L,h, 矿脉组异常-2,H,d,D=2KH K=L/h,L,h,（二）、坡积物中同生碎屑异常,地面,基岩面,地面,基岩面,（三）、后生异常 形成异常的物质通常已经在活动相 (水溶液、气体、植物体及大气搬运的质点）中迁移了或远或近的距离，

22、而在异常地点沉积下来 C总C同C后 由于后生异常与异常源的关系更疏远，因此，解释比较困难,上移水成异常 水溶液中的元素，通过毛细管上升及植物根系吸收而向上运动，在地表土壤或其他覆盖物中形成地球化学异常。异常与下伏异常源空间位置对应,侧移水成异常 金属元素被地下水溶解并随着迁移很远的距离，在某种沉淀障上析出，形成侧移的水成异常,矿化土壤,渗出带,ppm,五、土壤地球化学勘查方法,（一）、实验工作 实验剖面 试验剖面应布置在主要的、有代表性的矿床和覆盖物地段，剖面线尽量与目标体垂直。每条剖面的两端必须各有3一5个点落在背景地段上,a 采样层位实验 确定采样最佳层位 (深度)，首先应区分疏松覆盖物性

23、质 (原地风化或外来的)，利用已知矿体或矿化地段的探槽或浅井，进行槽 (井)壁取样试验,(1)当疏松覆盖层为原地风化形成的残坡积物时，其土壤剖面大多数由A层 (腐殖层)、B层(淋积层)、C层(母质层)三个层位组成。元素在土壤剖面上的含量变化是受气候、地理条件和表生地球化学作用的控制。一般地说，元素在土壤剖面中的分布情况有如下情况:,i 元素在各层位中的含量大致相近，即CaCbCc。这种情况一般出现在干旱荒漠地区或是山坡上。这是由于坡积物不断更新、成土作用不能深人进行、化学与生物化学作用极为微弱所致。,ii 元素含量随深度增加而增高，即CaCbCc。这是沼泽土壤和热带潮湿气候条件下，由于强烈的淋滤、溶解和淋失等作用造成的。,iii 元素的含量随深度增加而降低，即CaCbCc。这是由于残余富集作用或生物积聚作用的结果。,iv 元素的最高含量出现在淋积层位上，而淋积层位受当地的潜水面水平所控制。这种情况较少见。,b 当疏松覆盖层为外来物 (如洪积物、冰积物、风积物、耕地或其它外来搬运物等